Curso Ultrasonido Basico

CCUURRSSOO DDEE

UULLTTRRAASSOONNIIDDOO BBSSIICCOO

Facultad de Ingeniera Universidad Central de Venezuela

PROPIEDADES FUNDAMENTALES DEL SONIDO

INTRODUCCIN

Existen una gran cantidad y variedad de tcnicas de ensayo no destructivas,

destinadas a determinar la presencia, locacin y severidad de discontinuidades que

de una -Forma u otra, puedan afectar la operabilidad de piezas y partes nuevas o ya

en servicio. Entre las tcnicas de ensayo no destructivas mas comunes, podemos

mencionan Lquidos o Tintas Penetrantes, Radiografa o Gammagrafa, Partculas

Magnticas, Ultrasonido, Electromagnetismo, Corrientes Inducidas, etc. Algunas

otras tcnicas son un poco mas especializadas, por lo que su aplicacin se

encuentra, en cierta forma, limitada o restringida. Entre ste grupo podemos

mencionar: Emisin Acstica, Termografa de Infrarrojo, etc.

Este Libro trata acerca de la tcnica de Ultrasonido, como mtodo de ensayo no

destructivo; sus propiedades fundamentales, palpadores y generacin, la

propagacin y sus caractersticas, mtodos y tcnicas, sistemas y equipos,

calibracin, tipologa de las indicaciones y aplicaciones metalrgicas.

i.1. ANTECEDENTES.

A travs de los siglos, el hombre ha intentado utilizar el sonido para evaluar la

robustez y calidad de materiales, golpeando las piezas mediante algn instrumento

romo o desafilado, y escuchando las diferencias de tono, que puedan evidenciar la

presencia de discontinuidades. Esta forma de ensayo se considera como la

precursora de lo que conocemos hoy en da, como ultrasonido.

Las investigaciones sobre la utilizacin del sonido en la deteccin de defectos,

tomaron muchos aos; sin embargo, fue slo en los aos 30, cuando se present la

posibilidad de usar la energa ultrasnica como mtodo de ensayo no destructivo.

Investigadores en Alemania, O. Muhihauser, A. Trost y R. Pohiman; y en Rusia, S.

Sokoloff desarrollaron mtodos de ensayo ultrasnico mediante los cuales podan ser

2


determinadas discontinuidades de gran tamao. Estos mtodos presentaron algunas

limitaciones, la principal fue el hecho de que las superficies superior e inferior del

material bajo ensayo deban ser accesibles. Fueron realizados muchos intentos

para obtener un mtodo de ensayo que requiriera acceso a una sola superficie,

esto fue logrado a mediados del ao 1.940. Al mismo tiempo, Fred A. Firestone, en

la Universidad de Michigan Estados Unidos, invent un instrumento que utilizaba

pulsos de energa ultrasnica para obtener reflexiones de discontinuidades

diminutas. Durante el mismo perodo, D. O. Sproule, en Inglaterra, desarroll otros

aparatos de ensayo. Estos primeros instrumentos fueron considerados, en su

mayor parte, como equipos de ensayo en laboratorio y utilizados para

investigacin metalrgica.

En aos recientes, los avances en la instrumentacin y la tecnologa electrnica, han

suplido las herramientas necesarias para hacer postule el desarrollo de la tcnica

ultrasnica, tal y como la conocemos hoy en da. El ultrasonido es un confiable y

rpido instrumento de Aseguramiento y Control de Calidad.

i.2. APLICACIN INDUSTRIAL.

De acuerdo con sus caractersticas bsicas, el ensayo de ultrasonido puede ser

utilizado en el examen de productos metlicos y no metlicos, tales como:

soldaduras fras, fundiciones, planchas, tubos, plsticos, cermicas, etc.

El ensayo de ultrasonido es aplicable en la deteccin de discontinuidades

subsuperficiales, siendo una de las herramientas mas efectivas existentes, para el

Aseguramiento y Control de Calidad.

i.3. FILOSOFA DEL ENSAYO.

Los Ensayos no Destructivos son, como su mismo nombre lo indica, ensayos que

se realizan sin modificar las condiciones de servicio de las piezas en estudio,

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asegurando al mximo las condiciones en mquinas, equipos, estructuras y

herramientas. Para cumplir con ste objetivo, se hace necesaria la utilizacin de

patrones de calibracin y estndares de referencia con los cuales comparar los

resultados obtenidos.

i.4. PERSONAL.

Es necesario que el personal responsable de llevar a cabo los ensayos, est

entrenado y altamente calificado, comprendiendo a cabalidad todo lo concerniente a

equipos, tcnicas, materiales y procedimientos de ensayo, de acuerdo a los

siguientes niveles de calificacin:

Nivel 1. El personal con calificacin "Nivel I" debe estar preparado para realizar,

segn instrucciones escritas, calibracin de equipos, ensayos y

evaluacin de resultados.

Nivel 2. El personal con calificacin "Nivel II" debe estar preparado para realizar;

calibracin de equipos, interpretar y evaluar resultados con respecto a

cdigos y especificaciones. Debe estar en capacidad de preparar

instrucciones escritas y reportar resultados de ensayo.

Nivel 3. El personal con calificacin "Nivel III" debe ser responsable de establecer

tcnicas, interpretar cdigos y designar el mtodo de ensayo junto con la

tcnica a ser usada. Debe tener una gran experiencia prctica en sta

tcnica y estar familiarizado con otras tcnicas de Ensayo no Destructivo.

i .5. CRITERIOS DE ENSAYO.

Existen criterios que indican que, de acuerdo con los procesos de fabricacin, se

puede clasificar las fallas o defectos que pudieran presentarse en piezas de ensayo.

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Esto significa que cada unidad debe ser ensayada individualmente, antes de ser

ensamblada, as como se debe ensayar el conjunto completo de acuerdo con los

requerimientos de la especificacin. Esto implica que debe ser seleccionado el

proceso de ensayo, y a su vez, generarse procedimientos de prueba desde el mas

bajo nivel del proceso de fabricacin, con el fin de obtener la mayor calidad al mas

bajo costo.

i.6. PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO.

Los procedimientos de inspeccin deben generarse a partir un anlisis del objeto a

ensayar, de la revisin de la documentacin tcnica, de experiencia adquirida en

ensayos a objetos similares y de informacin concerniente a discontinuidades que

pudieran presentarse en ste o que hayan sido observadas en objetos semejantes.

Es responsabilidad del personal que ejecuta los ensayos, que los procedimientos

sean adecuados.

i.7. OBJETIVO DEL ENSAYO.

El objetivo del ensayo de ultrasonido es asegurar la calidad de la pieza. Para la

consecucin de ste objetivo se deben tomar en cuenta tres factores que son:

Obtener una imagen visual relativa a determinar la presencia, locacin y severidad de las discontinuidades presentes en la pieza bajo ensayo.

Revelar la naturaleza de las discontinuidades sin perjudicar el material.

Diferenciar las discontinuidades aceptables de las que no lo son, de acuerdo con criterios de aceptabilidad o especificaciones estandarizadas; por ejemplo:

"Tamao Crtico de Defecto".

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Ningn ensayo est totalmente efectuado sin antes realizar un anlisis de resultados.

La ejecucin de los procedimientos de ensayo y el anlisis de resultados, requiere

del conocimiento de la pieza en todo lo concerniente a material, dimensiones, forma

y proceso de fabricacin.

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CAPITULO 1

PROPIEDADES FUNDAMENTALES

DEL SONIDO

Ultrasonido, es el nombre dado al estudio y aplicacin de ondas sonoras con

frecuencias superiores a las percibidas por el odo humano. Las ondas sonoras

pueden ser divididas en tres grandes grupos; Infrasnica, donde el rango de

frecuencias es menor a 16 ciclos por segundo (f < 16 Hz) Snica donde las

frecuencias se encuentran entre 16 y 20.000 ciclos por segundo (16 Hz < f < 20 kHz)

y Ultrasnica, donde las frecuencias son mayores a 20,000 ciclos por segundo (f >

20 kHz ) Sin embargo, la frecuencia mas alta lograda hasta el presente, es del

orden de 1,000.000.000 ciclos por segundo (1.000 MHz ) . El rango de frecuencias

usado en ultrasonido abarca desde los 200.000 hasta los 25.000.000 de? ciclos por

segundo (200 kHz hasta 25 MHz)

El ultrasonido, como mtodo de ensayo no destructivo, es el uso de ondas

ultrasnicas para evaluar materiales sin modificar sus condiciones de servicio. El

ensayo de ultrasonido puede ser usado para medir el espesor de materiales, o para

examinar la estructura interna de piezas por posibles discontinuidades.

1.1. EL SONIDO.

El sonido se define como la vibracin mecnica de partculas en un medio.

Cuando una onda sonora se transmite a travs de un medio; las partculas vibran

alrededor de un punto fijo, a la misma frecuencia que la onda sonora. Las

partculas no se trasladan con la onda, slo reaccionan ante la energa de la

misma; esto implica que la energa de la onda es la que se transmite a travs del

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material, por medio de sus partculas,

En la Figura 1.1, tenemos un diapasn que es golpeado con un martillo. Por efecto

del golpe se producir un sonido, el cual escucharemos. Ahora, s observamos el

diapasn en el momento de ser golpeado, veremos que, debido al impacto,

comenzar a moverse atrs y adelante un movimiento alternativo. Por medio de un

golpe, hemos transmitido energa al diapasn; sta energa es transmitida, por

accin del movimiento, a la capa de aire que se encuentra alrededor del diapasn, la

que se comprimir, sta a su vez comprimir a la capa inmediata, sta comprimir

la siguiente y as sucesivamente. De la misma forma, con la transmisin de la

vibracin se crearn zonas de compresin y zonas de expansin. El resultado final,

lo escucharemos; tal y como se muestra en la Figura.

Figura 1.1. Sonido producido por un diapasn,

Las reas identificadas con los nmeros "1", "3", "4" y "5", representan las zonas de

compresin onda, y las identificadas con las letras "A","B","C","D", representan las

zonas de expansin de la onda, producto la vibracin del diapasn. Entonces; el

sonido ser, la transmisin de una onda mecnica a travs de un medio; la vibracin

mecnica de partcula en un medio. Para nuestros propsitos debemos comprender

y recordar que la vibracin es:

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Un movimiento alternativo. Energa en movimiento.

Sabemos que el sonido se transmite a travs del aire y que puede ser reflejado en

forma de ecos. Adems, el sonido puede ser transmitido a travs del agua, e

igualmente reflejado, ste es el principio del sonar; "la deteccin de objetos bajo

el agua". De la misma manera, el sonido puede ser transmitido a travs de elementos

slidos. Los ensayos ultrasnicos utilizan tanto la transmisin del sonido a travs de

lquidos, como la transmisin del sonido a travs de slidos.

1.2. CUALIDADES DEL SONIDO.

El sonido tiene tres cualidades importantes, que son:

Intensidad. Tono. Timbre.

1.2.1. Intensidad.

La intensidad es la cualidad por la que percibimos un sonido fuerte o dbil. El sonido

ser mas intenso, cuanto mayor sea la energa de vibracin de las partculas, y

como se puede demostrar que dicha energa es proporcional al cuadrado de la

amplitud; entonces, la intensidad de una onda sonora depender de la amplitud de la

misma.

1.2.2 Tono.

El tono de un sonido, es la cualidad que nos lo hace percibir como agudo o grave, y

depende de la cantidad de veces en un perodo de tiempo, en el cual se repite la

vibracin, o sea, la frecuencia.

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1.2.2. Timbre.

El timbre de un sonido, es la cualidad que nos permite distinguir un mismo tono,

pero producido por dos instrumentos diferentes. Esto nos indica que el timbre de

un sonido depende del medio que lo produzca.

1.3. CARACTERSTICAS DE UNA ONDA SONORA.

Cuando hablamos de sonido, hablamos de vibracin, un movimiento atrs y

adelante; alternativo, o sea, se produce infinidad de veces pero de una forma

ordenada. Cuando una partcula parte de un punto 'O" y se desplaza hasta una

posicin mxima "+"; luego, se devuelve al punto "O", pero contina su movimiento

hacia atrs y logra otra posicin de desplazamiento mximo "-'"; y regresa al punto

"O", ha realizado un ciclo (ver Figura 1.2). El concepto de ciclo est relacionado

directamente con el perodo y la frecuencia.

Figura 1.2. Relacin entre amplitud y longitud de onda.

Una onda sonora est definida por cuatro caractersticas principales;

Perodo. Frecuencia. Amplitud.

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Longitud de Onda.

1.3.1. Perodo.

El perodo T, es el tiempo que toma una partcula en realizar un ciclo completo.

1.3.2. Frecuencia.

La frecuencia, f, es el nmero de oscilaciones de una partcula por segundo. Dentro

de una misma onda, la frecuencia es la misma para todas las partculas, y es idntica

a la frecuencia del generador. La unidad Internacional de frecuencia es el Hertzio,

donde:

1 HERTZIO = 1 Hz = 1 Ciclo por Segundo.

1.000 HERTZIOS = I kHz = 1.000 Ciclos por segundo.

1,000.000 HERTZIOS = 1 MHz = 1.000.000 Ciclos por segundo.

Como podemos ver, el perodo y la frecuencia estn relacionados, pues;

(1.1) 1 T

f =

Donde;

T : Perodo.

f : Frecuencia.

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1.3.3. Amplitud.

La amplitud, A, es el mximo desplazamiento que realiza la partcula sometida a

vibracin, partiendo desde su posicin "O".

1.3.4. Longitud de Onda.

La longitud de onda, es la distancia entre dos planos en los que las partculas se encuentran en el mismo estado de movimiento. La longitud de onda es inversamente

proporcional a la frecuencia. El perodo y la longitud de onda estn relacionados,

pues el perodo es el tiempo que toma una partcula en recorrer una longitud de

onda. Para todos los tipos de onda se cumple la siguiente relacin;

(1.2) fV=

Donde;

: Longitud de onda. v : velocidad acstica.

f : Frecuencia

1.4. VELOCIDAD ACSTICA.

La velocidad, acstica es la distancia recorrida por las ondas en un medio en una

unidad de tiempo; en otras palabras, es la velocidad de propagacin del sonido en

el medio.

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La velocidad acstica longitudinal es diferente para cada medio, pero es

directamente proporcional a su densidad y al Mdulo de Elasticidad, e inversamente

proporcional al Coeficiente de Poisson.

La velocidad acstica transversal, tambin es diferente para cada medio, y es la

raz cuadrada del producto del Mdulo de Rigidez entre la densidad del material.

Puede obtenerse, tambin, mediante el Coeficiente de Poisson y el Mdulo de

Elasticidad.

La velocidad de las ondas superficiales, puede ser calculada por medio de

relaciones entre los mismos factores caractersticos del material.

La velocidad acstica es una caracterstica del material y, en general, es

constante para cada material dado, para cualquier frecuencia y cualquier longitud

de onda. Sin embargo, esto no es rigurosamente exacto, pues dicha velocidad

depende, especialmente en los gases y lquidos, de la presin, de la temperatura

y de otros parmetro. Ahora bien, en muchos materiales slidos, tales como los

metales, sta influencia se puede despreciar. Por ello, se puede tomar sta

velocidad, aproximadamente, como una constante del material, condicin muy til en

los ensayos por ultrasonido.

1.3. PRESIN ACSTICA.

En los puntos de gran densidad de partculas, la presin es tambin mayor que la

presin normal, mientras que en las zonas dilatadas es menor. Un medidor

microscpico de presin, colocado en el campo de la onda elstica, indicara

alternativamente presiones altas y bajas, segn una secuencia peridica. Esta

presin alterna es la presin acstica. Ocurre no slo en los gases, sino tambin en

los lquidos y en los slidos. La desviacin mxima en relacin con la presin

normal (sin la presencia de onda acstica alguna), se denomina "amplitud de la

presin acstica", y est ntimamente relacionada con la amplitud de oscilacin.

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14

1.4. VELOCIDAD INSTANTNEA DE VIBRACIN.

La velocidad instantnea de vibracin es propia de la partcula en su movimiento

oscilatorio. Cuando se refiere a su amplitud o valor mximo, se designa "v".

PALPADORES Y GENERACIN DEL ULTRASONIDO

CAPITULO 2

PALPADORES Y GENERACIN

DEL ULTRASONIDO

El empleo del ultrasonido como mtodo de ensayo no destructivo, envuelve la

aplicacin de tcnicas especializadas y la utilizacin de diversos tipos de

generadores y receptores. En el Captulo 1, fueron presentadas las propiedades

fundamentales del sonido. En ste Captulo, se presentan los tipos bsicos de

palpadores y el principio fsico de generacin de las ondas.

2.1. GENERACIN DEL ULTRASONIDO.

La aplicacin del ultrasonido como mtodo de ensayo no destructivo, envuelve la

utilizacin de mecanismos que generen y reciban las seales ultrasnicas; los

palpadores. Un palpador, es un mecanismo que convierte energa de una -forma a

otra; por ejemplo: la energa elctrica puede ser convertida en energa mecnica y la

energa mecnica puede ser convertida en energa elctrica. La conversin de

energa se realiza en ultrasonido, partiendo de dos fenmenos fsicos:

Efecto Piezoelctrico. Efecto Magnetoestrictivo.

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Figura 2.1. Principio bsico del Funcionamiento

de los palpadores ultrasnicos.

2.1.1. Efecto Piezoelctrico.

El tipo de cristal mas comnmente usado en ensayos no destructivos, se

denomina: cristal piezoelctrico. Un material piezoelctrico, convierte deformaciones

mecnicas causadas por efecto de presin externa, en cargas elctricas. Este

fenmeno fue descubierto por los Esposos Pierre y Marie curie en 1.880, y se

denomina Efecto Piezoelctrico Directo.

El efecto inverso fue descubierto por Fritz Albert Lippman en 1.881. Lippman,

predijo que aplicando cargas elctricas a un cristal piezoelctrico, podran producirse

deformaciones mecnicas, y por consiguiente: vibraciones; ste efecto es conocido

con el nombre de Efecto Piezoelctrico Recproco.

La funcin de un palpador de cristal, es convertir en seales elctricas las

deformaciones aplicadas y viceversa. La combinacin de estos dos efectos hace

posible los sistemas ultrasnicos

Las propiedades fsicas de un cristal de cuarzo natural varan de acuerdo con

las direcciones en las cuales sea cortado. Se desenvolver mecnica, ptica o

elctricamente favorable, segn su direccin de corte principal. Cada cristal tiene

tres ejes imaginarios; segn y como sea cortado, sern su comportamiento y

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Caractersticas fsicas,

Figura 2.2. Orientacin tpica de los ejes en

un cristal de cuarzo natural

En la Figura 2.2 se observa la direccin de corte de un cristal de cuarzo mas

conveniente para las aplicaciones ultrasnicas. Al aplicar presin mecnica

perpendicular mente al eje de las abcisas, se obtendr variaciones sumamente

rpidas en el espesor, generndose sedales elctricas; y si por el contrario se aplican

cargas elctricas a las caras perpendiculares al eje X del cristal, se

producirn variaciones del espesor. Si las cargas elctricas son alternativas, el

cristal vibrar a una frecuencia definida por la relacin existente. entre su espesor y

la longitud de onda,

2.1.2. Efecto Magnetoestrictvo.

Por definicin, los materiales magnetoestrictivos deforman mecnicamente cuando

se les aplica voltaje. Los materiales que exhiben sta facultad se denominan

frroelctricos; y estn compuestos por un gran nmero de molculas que para

cumplir con el efecto magnetoestrictivo, deben ser polarizadas como se muestra en

la Figura 2.3.

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Figura 2.3. Orientacin de las molculas en un material magnetoestrictivo.

Cuando no existe un gradiente elctrico en el material ferroelctrico, las molculas

estarn orientadas al azar (A). Al aplicar voltaje, las molculas tienden a alinearse en

la direccin del campo; en ste momento se produce un aumento del espesor como

el voltaje se aplica de forma alterna, al bajar a cero volver a su espesor normal (A),

aumentar el espesor polarizndose las molculas de forma opuesta (C) , volver a

cero, y as sucesivamente se producirn las vibraciones.

Los materiales ferroelctricos, por propiedades, no pueden producir altas

frecuencias, es por esto que con cierta metodologa, es posible cambiar su

comportamiento hacia la piezoelectricidad. El mtodo es el siguiente; el material es

calentado por encima de su punto de Curie (la temperatura por encima de la cual

una estructura pierde sus propiedades ferroelctricas), a la vez que se le aplica

voltaje lateralmente (aproximadamente 1.000 voltios por milmetro de espesor), el

cual ser mantenido hasta el enfriamiento. El material ha sido polarizado, por lo que

exhibir propiedades piezoelctricas.

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2.1.3. Construccin de Cristales.

La eficiencia mxima de un cristal, se logra cuando la frecuencia de la excitacin

elctrica coincide con la frecuencia caracterstica del oscilador. Si "T" es el espesor

del cristal, y V velocidad acstica del mismo, la frecuencia fundamental ser dada

por;

2.1) ( 2

TVf =

Independientemente del material de fabricacin del cristal piezoelctrico, ste debe

ser maquinado en cuanto a forma y espesor. La forma viene dada por el tipo de

palpador, y el espesor por la frecuencia de trabajo segn la siguiente ecuacin;

(2.2) 2

=T

Donde:

T : Espesor del cristal.

: Longitud de onda.

Cumpliendo sta relacin se obtendr la eficiencia mxima del cristal. Entre los

materiales de fabricacin de cristales piezoelctricos mas comunes, se encuentran:

el Cuarzo, el Sulfato de Litio y las Cermicas Polarizadas (Titanato de Bario y

Metaniobato de Plomo). Sin embargo, para usos especiales se emplean; Sal de

Rochelle o Tartrato Sdico Potsico (KDP) , Fosfato Monoamnico (ADP) Tartrato

Dipotsico (DKT), Tartrato de Etlendiamina (EDT), as como la Turmalina. En la

tabla 2.1, se muestran algunas caractersticas fsicas de los materiales

piezoelctricos.

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Tabla 2.1.- Propiedades Fsicas de los materiales Piezoelctricos

Material Densidad(103)Kg. / cm3

Velocidad Acstica

(cm / seg.)

Impedancia Acstica

Kg. / seg. cm2 Cuarzo 2,65 57,60 152,64

Sulfato de Litio 2,06 47,20 97,23

Titanato de bario 5,07 44,00 223,08

Metaniobiato de Plomo 5,80 28,00 162,40

2.1.3.1. Cuarzo.

El Cuarzo (Si02), es el mas antiguo de todos y se obtiene a partir de cristales

naturales. Es transparente y muy duro. Posee una temperatura crtica de 576 C, que

corresponde al punto de Curie, lo que lo hace adecuado para ensayos a altas

temperaturas. El coeficiente de amortiguacin interna es prcticamente, igual a la

unidad. Su frecuencia fundamental caracterstica es de 2,80 MHz, para espesores de

1 mm.

El cuarzo presenta como ventajas su estabilidad trmica y elctrica, insolubilidad en

muchos lquidos, dureza elevada y resistencia al desgaste, homogeneidad excelente

y resistencia al envejecimiento. Como limitaciones, un mdulo piezoelctrico bajo, lo

que le califica como mal emisor. No es adecuado para la generacin de impulsos

cortos.

2.1.3.2. Sulfato de Litio.

El Sulfato de Litio (SO4Li), mas propiamente sulfato de litio hidratado, se obtiene por

cristalizacin, y se debe proteger de la humedad. El sulfato de litio hidrtalo, es el

mas sensible a la temperatura, ya que pierde su agua de cristalizacin a 75 C,

descomponindose en polvo de sulfato de litio y en agua. Debido a su coeficiente de

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amortiguacin interna, es bastante adecuado para generar impulsos cortos. Su

Frecuencia fundamental caracterstica es de 2,36 MHz , para espesores de 1 mm.

Sus ventajas principales residen en, proporcionar una amortiguacin acstica

ptima, mejorando el poder de resolucin, mdulo piezoelctrico medio y

constante de presin piezoelctrica elevada, lo que le califica como el mejor

receptor. Sin embargo, su uso est restringido a temperaturas inferiores a 75 C.

2.1.3.3. Titanato de Bario.

El Titanato de Bario (TiO3Ba), se obtiene por sinterizacin, ya que por cristalizacin

no se pueden obtener cristales grandes. Se deben, pues, polarizar durante su

proceso de fabricacin. Posee una temperatura crtica entre 115 y 150 C, que

corresponde al punto de Curie. El coeficiente de amortiguacin interna es,

prcticamente, igual a la unidad. Su frecuencia fundamental caracterstica es de 2,2

MHz, para espesores de 1 mm.

El titanato de bario, como material cermico polarizado, posee un mdulo

piezoelctrico elevado, lo que le califica como el mejor emisor, pero a efectos de

acoplamiento y amortiguacin, es el peor debido a su impedancia acstica elevada.

Debido a su resistencia mecnica baja y a su frecuencia caracterstica fundamental,

relativamente, baja, su empleo est restringido a frecuencias por debajo de 15 MHz.

Otra limitacin, es la interaccin que se produce entre varios modos de vibracin.

2.1.3.4. Metaniobato de Plomo.

El Metaniobato de Plomo (Nb2O6Pb), se obtiene por sinterizacin, ya que por

cristalizacin no se pueden obtener cristales grandes. Se deben, pues, polarizar

durante su proceso de fabricacin. Posee una temperatura crtica de 550 C, que

corresponde al punto de Curie, lo que lo hace adecuado para ensayos a altas

temperaturas. El coeficiente de amortiguacin interna es de 1,3, por lo que es el

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mejor material para generar impulsos cortos en el mtodo de pulsoeco, pues no

precisa de amortiguacin artificial, lo cual beneficia su sensibilidad. Su frecuencia

fundamental caracterstica es de 1,4 MHz, para espesores de 1 mm, lo que limita su

empleo a frecuencias muy altas.

El metaniobato de plomo, como material cermico polarizado, posee un mdulo

piezoelctrico elevado, lo que le califica como buen emisor. Al igual que el cuarzo,

presenta estabilidad trmica, siendo indicado para ensayos a temperatura; posee

elevado coeficiente de amortiguacin interna, lo que le califica como el mejor

material para generar impulsos cortos. Su frecuencia caracterstica fundamental

es la mas baja de los cuatro, lo que, unido a su baja resistencia mecnica, limita su

empleo a frecuencias altas. Otra limitacin, es la interaccin que se produce entre

varios modos de vibracin.

2.2. EL HAZ ULTRASNICO.

En el ensayo de ultrasonido, la anchura del haz sonoro es, generalmente,

considerado constante en toda su longitud. En realidad, el haz no es totalmente

recto. Si medimos la intensidad del haz sonoro a varias distancias del palpador,

veremos que es posible distinguir tres zonas diferentes, tal y como se muestra en la

Figura 2.4. Estas zonas son conocidas como; Zona Muerta, Zona de Campo

Cercano o Zona de Fresnel, y Zona de Campo Lejano o Zona de Fraunhofer.

Figura 2.4. Diagrama del haz ultrasnico mostrando

las diferentes zonas de intensidad.

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2.2.1. Zona Muerta.

La zona muerta se debe a la interferencia producida por las vibraciones del cristal; y

su presencia en el haz, est determinada por el tiempo de oscilacin, o sea, el

tiempo requerido por el cristal para generar el pulso de vibracin.

2.2.2. Zona de Campo Cercano.

El efecto producido por la zona de campo cercano o Zona de Fresnel (ver Figura

2.4), de un haz ultrasnico es, a veces, ignorado o desconocido, teniendo una

gran importancia para la validez de los resultados. La energa es irradiada en todas

la direcciones, a partir del punto de origen, y la presin acstica vara

presentndose con mximos y mnimos; sin embargo, el haz tendra una forma

totalmente esferoidal, de no ser por la existencia de los lbulos laterales o

secundarios, que no son mas que zonas de fluctuacin de la intensidad, producidas

por efecto de los bordes del cristal, segn el principio de Huygens (ver Figura 2.5).

Figura 2.5. Geometra del haz para un palpador con un ngulo de divergencia de 15 0

22


La presencia de los lbulos laterales causa que, para efecto de clculos, el

dimetro del cristal se vea reducido. La reduccin se relaciona directamente con

dimetro y viene dada por la ecuacin;

(2.3) 4 fNVDef =

Donde:

Def : Dimetro efectivo.

N: Longitud de campo cercano.

Para efectos prcticos, el dimetro efectivo del cristal se considera como;

Def = 0,97 D (2.4)

Donde;

Def : Dimetro efectivo del cristal

D: Dimetro nominal del cristal.

La longitud de la Zona de Fresnel, vara de acuerdo con la longitud de onda y las

dimensiones del cristal. Para palpadores con cristales circulares, la longitud de

campo cercano viene dada por la siguiente ecuacin:

(2.5) 4

94,0 4

22

VfDDN ef ==

Para palpadores con cristales de forma rectangular, donde la diferencia entre los

lados no supera el 12 %., la longitud de la zona de campo cercano, ser:

23


(2.6) 3,1 2

VfA

N ef=

Donde:

Aef : La mitad de la longitud efectiva del lado mas largo.

En la zona de campo cercano, por efecto de las fluctuaciones de la intensidad, es

sumamente difcil lograr la deteccin de discontinuidades, pues se producirn

indicaciones mltiples, y la amplitud de las mismas tendr grandes variaciones de

acuerdo a la distancia desde la superficie reflectora, a la cara del palpador.

2.2.3. Zona de Campo Lejano.

Inmediatamente despus de la zona de interferencia, o zona de campo cercano,

comienza la zona de campo lejano, o Zona de Fraunhofer. En sta zona, la

intensidad o la presin sonora se estabiliza, teniendo mayor magnitud alrededor

del eje imaginario del haz (ver Figura 2.4), y va disminuyendo hacia los lmites del

mismo. De la misma forma, con aumentos de la distancia, desde el lmite entre las

zonas de campo cercano y lejano, la presin disminuir exponencialmente por efecto

de varios factores productores de prdidas (ver Figura 2.6). Uno de stos factores

se denomina: divergencia del haz.

La divergencia del haz, se produce por lo que conocemos como el "Factor de

Difraccin de Fraunhofer", El rea cubierta por el haz sonoro, en la zona de

campo lejano, aumentar con la distancia, lo que se traducir como dispersin de

la presin acstica. La divergencia haz, o el ngulo de divergencia del haz (ver

Figuras 2.5), se calcula mediante la siguiente ecuacin:

24


)9.2(

22,1)(

)8.2( 22,1)(

fDVsen

Dsen

=

=

Donde;

= La mitad del ngulo de divergencia.

Como se puede observar, el ngulo de divergencia del haz, depende del dimetro del

palpador y de la longitud de onda, o lo que es lo mismo, del dimetro y la frecuencia

del palpador, y de la velocidad acstica del medio transmisor.

En la zona de campo lejano, la presin acstica sufre disminuciones continuas a

lo largo del recorrido del haz ultrasnico, stas disminuciones pueden ser

expresadas de la siguiente manera;

)10.2( 2 2 22

0

+= SSDsenPP

Donde;

P : Presin acstica inicial.

Po : Presin acstica atenuada.

D : Dimetro del cristal,

S: Camino snico.

En sta expresin, solamente se toma en cuenta los palpadores con cristales

circulares, podemos reenunciarla para cubrir todo tipo de palpadores, as:

25


)12.

)11.

2(

2(

0

0

SPP

SNPP

=

=

Donde:

S : Superficie del cristal

Figura 2.6. Distribucin de la presin acstica a lo largo del recorrido del haz.

2.3. ATENUACIN.

Hasta ahora hemos supuesto un material ideal, en el que la presin acstica se

atena slo en virtud de la divergencia de la onda. Segn esto, en una onda plana, la

presin acstica no se atena a lo largo de su propagacin, y en una onda esfrica, o

tambin en el campo lejano del haz ultrasnico de un palpador, disminuye

26


inversamente con la distancia a la fuente, desde el punto de vista prctico, para los

equipos de presentacin A-scan; o dicho de otra manera, en los equipos de

presentacin con pantalla osci1oscpica (en el Captulo 5 ampliaremos la

informacin al respecto), las variaciones de la presin acstica, causadas por efecto

de factores de atenuacin, puede ser medida directamente de la pantalla mediante

la altura de los ecos de indicacin, de la siguiente manera;

(2.14) HHLog 20

)13.2( PPLog 20

1n

n

0

+=

=

S

S

Donde:

: Coeficiente de atenuacin HN : Altura de eco.

HN+1; Altura del eco siguiente.

Sin embargo, los materiales slidos dan lugar a un efecto, mas o menos

pronunciado, de atenuacin que se traduce en una debilitacin del haz ultrasnico,

debido a dos causas; la absorcin y la dispersin, constituyendo, ambas, la

atenuacin (denominada tambin amortiguacin o extincin.

2.3.1. Absorcin.

La absorcin, es causada por la conversin de energa mecnica en calor. En

materiales que se encuentran a temperaturas superiores al cero absoluto, la

vibracin de las partculas producir calor. Con la propagacin de la onda en el

material, se producir la vibracin de partculas que, excitarn a las siguientes y as

sucesivamente; la transmisin de las oscilaciones en el medio producir stos

27


aumentas de temperatura. El efecto de la temperatura, combinada con la estructura

policristalina de los materiales, y la orientacin al azar de los granos, atenuar la

seal ultrasnica.

Se puede explicar la absorcin, de forma elemental, como un efecto de frenado de la

oscilacin de las partculas, lo cual explicara tambin por qu una oscilacin rpida

pierde mas energa que una oscilacin lenta. La absorcin aumenta, generalmente,

con la frecuencia, pero en menor grado que la dispersin.

En conclusin, la absorcin pura debilita la energa transmitida o la amplitud del eco,

tanto de la discontinuidad como de la pared de Fondo. Para contrarrestar ste efecto,

hay que incrementar la amplificacin o, tambin, recurrir al empleo de frecuencias

mas bajas.

2.3.2. Dispersin.

La dispersin, se produce por la no homogeneidad del material bajo prueba; o sea, la

presencia de pequeas heterogeneidades, que actan como focos dispersores. Por

todas stas razones, es posible que se produzcan sedales pequeas, numerosas,

que puedan "camuflajear" las indicaciones de discontinuidades reales. Estas

pequeas heterogeneidades, pueden ser clasificadas de la siguiente manera:

Inclusiones, tales como las inclusiones no metlicas en los aceros, o poros.

Heterogeneidades genuinas o tambin naturales, tal como la porosidad en materiales sinterizados.

Constituyentes precipitados de naturaleza distinta, tal como el grafito en las fundiciones grises.

28


Fases en la estructura cristalina de los metales, con diferentes estructuras y composicin.

Aunque la estructura cristalina est constituida por una sola fase, s los granos estn orientados al azar y poseen distintas propiedades elsticas en

diferentes direcciones, constituirn una heterogeneidad para el haz ultrasnico. Esta caracterstica se conoce con el nombre de anisotropa.

En un material con un tamao de grano basto, comparado con la longitud de onda, la dispersin se producir de acuerdo con las siguientes

consideraciones de tipo geomtrico-ptico; En un lmite de grano oblicuo, la

onda se desdoblar en varios tipos de ondas reflejadas y transmitidas. Este

proceso se repetir para cada onda en el siguiente lmite de grano, de manera

que el haz ultrasnico, original, se dividir constante y sucesivamente en

ondas parciales.

Normalmente, con el margen de frecuencia utilizado en los ensayos no destructivos de materiales, el tamao de grano es menor que la longitud de

onda. Bajo stas condiciones, se produce la dispersin no por

desdoblamiento de tipo geomtrico, como el descrito, sino al igual que la luz

de un faro se dispersa en las gotas pequeas de agua de la niebla.

Concluyendo, la dispersin, es mucho mas perturbadora, ya que, en el mtodo de

pulso-eco, no slo reduce la amplitud del eco de la discontinuidad y la del eco de

fondo, sino que; adems, produce numerosos ecos parsitos con diferentes

recorridos, llamados "grama o ruido de la seal", en los que los ecos verdaderos

pueden quedar enmascarados. Estas indicaciones -falsas no se pueden

contrarrestar aumentando la amplificacin, ya que el efecto se incrementara

simultneamente.

29


2.3.3. Ley de la Atenuacin.

Adems de estos factores causantes de prdidas de energa, existen otros tales

como; prdidas de energa en el medio acoplante, dispersin debida a la rugosidad

superficial y prdidas por divergencia del haz,. Todos estos factores, productores de

prdidas, son agrupados como factores de atenuacin. La Ley de variacin de la

Presin Acstica de una onda plana, que decrece exclusivamente por efecto de la

atenuacin, es una funcin de carcter exponencial, dada por la siguiente frmula:

)16.2

)15.

( )(

2(

0

0

NeperPPLnS

ePP S

=

=

Donde:

1 NEPER = 8,68 DECIBELES

Por definicin matemtica;

In x = 2,303 log x

)13.2( dB)en ( )(20 0PPLog=S

2.4. PALPADORES

Los palpadores, constituyen bsicas del sistema ultrasnico y se parte integrante del

mismo, ya que, caractersticas y cualidades del haz una de las unidades deben

considerar como de ellos dependen las ultrasnico.

30


Un palpador, es un mecanismo que convierte energa elctrica en energa

mecnica, y energa mecnica en energa elctrica. Anteriormente se han analizado

las caractersticas de los cristales, que constituyen los componentes o elementos

claves del palpador. Si importante es el diseo del cristal, no lo es menos el del

resto de los elementos que integran el palpador, para modificar las caractersticas

emisoras y receptoras del cristal, en orden a lograr un rendimiento y eficacia

mximos para unas caractersticas y cualidades deseadas del haz ultrasnico. As

como el diseco del oscilador se apoya en estudios tericos, el del palpador

responde, mas bien, a resultados de carcter emprico.

Se dispone de una diversidad de tipos de palpadores, en los que se apoyan,

primordial mente, el gran nmero de tcnicas operatorias actualmente aplicables. En

ste orden de ideas, se pueden clasificar los palpadores en dos grandes grupos;

Palpadores de contacto directo, y Palpadores de inmersin.

2.4.1. Palpadores de Contacto Directo.

Los palpadores de contacto directo, como su mismo nombre lo indica, se aplican

directamente a la superficie de la muestra, con cierta presin, interponiendo en la

mayor parte de los ensayos, un medio de acoplamiento. En el Captulo 3, se

profundizar en cuanto a los tipos de materiales de acople, su efecto y seleccin,

Segn la direccin de propagacin del haz, con relacin a la superficie de la

muestra, stos palpadores de contacto se clasifican, a su vez, en; Palpadores de

incidencia normal, y Palpadores angulares.

2.4.1.1. Palpadores de Incidencia Normal

Se emplean en los equipos que operan por los mtodos de pulso-eco y de

resonancia, y se aplican a problemas de defectologa, metrologa y caracterizacin.

La mayor parte de stos palpadores llevan incorporados osciladores diseados para

emitir ondas longitudinales.

31


Segn el nmero de cristales que llevan incorporados, se consideran los

siguientes tipos; Palpadores de cristal nico, y Palpadores "Emisor-Receptor".

Adems, hay que considerar aquellos disecados para ensayas a temperaturas

elevadas.

2.4.1.1.1. Palpadores de Cristal nico.

En la Figura 2.7, se observa un corte esquemtico de la constitucin de un palpador

de ste tipo. Adems del cristal piezoelctrico, consta de la cubierta o montura

metlica, que protege el conjunto, el amortiguador del cristal, los electrodos y

conductores elctricos, el conector coaxial y la zapata de plstico.

Figura 2.7. Corte de un palpador normal.

El amortiguador del cristal, es un elemento indispensable en los palpadores

empleados en los equipos que operan por el mtodo de pulso-eco, Su finalidad se

concreta en:

1. Reducir el tiempo de oscilacin del cristal,

2. Absorber las ondas que pudieran interferir en la seal de la pantalla,

3. Soportar, mecnicamente, el cristal piezoelctrico.

32


La duracin del impulso elctrico influye decisivamente en la anchura de la zona

muerta y en el poder de resolucin. Un palpador insuficientemente amortiguado

puede impedir la deteccin de discontinuidades situadas cerca de la superficie de

exploracin y, a la vez, dificultar la deteccin de discontinuidades prximas entre s.

Para que el cristal no oscile libremente, es necesario que el amortiguador tenga una

impedancia acstica elevada, lo que podra lograrse con materiales duros como los

metales o la porcelana. Sin embargo, el amortiguador debe presentar, adems, un

elevado coeficiente de atenuacin, para que sea capaz de absorber las ondas

radiadas en sentido contrario, ya que, si se transmitiesen libremente, daran lugar a

una amplia zona de perturbaciones a continuacin de la seal inicial, con el

consiguiente ensanchamiento de la zona muerta. Se precisa, pues, encontrar una

solucin de compromiso, de manera que se logre una impedancia acstica

elevada, junto a un coeficiente de atenuacin, tambin, alto. Para ello, se recurre a

materiales compuestos basados en resinas sintticas endurecibles a los que se

incorporan sustancias pulverulentas, tales como dixido de manganeso, minio,

limaduras metlicas, etc. Estas adiciones contribuyen, por su mayor densidad, a

elevar la impedancia acstica de la resina, si bien el coeficiente de atenuacin

resultante, puede no ser suficiente. Para aumentarlo, se recurre a mecanizar la

superficie libre del amortiguador en forma de dientes de sierra.

Si la unin entre el cristal piezoelctrico y el amortiguador no est bien realizada,

puede reducir, considerablemente, el efecto de ste. Para lograr rendimientos

mayores, la capa de adhesivo debe ser lo mas fina posible o, mejor an, eliminarse

totalmente vulcanizando o colando la mezcla amortiguadora, directamente sobre la

superficie del cristal. El amortiguador, tal como se ha descrito, reduce,

fundamental mente, las oscilaciones del cristal en el sentido del espesor, Pero, de

hecho, tambin se producen oscilaciones radiales que se deben suprimir, en

particular si se trata de cristales de titanato de bario. Esto se puede lograr aplicando

el amortiguador de manera que los bordes del cristal queden introducidos en l, o

bien, cuando se emplean cristales gruesos (frecuencias de 1 MHz o menos),

33


mecanizando ranuras cruzadas en el cristal que luego se rellenan con material

amortiguador.

Si el amortiguamiento producido es bajo, el impulso ultrasnico es largo y, en

consecuencia, el espectro de frecuencia es de banda estrecha, estando situado

cerca de la frecuencia de resonancia del cristal. Si por el contrario, el

amortiguamiento es alto, los impulsos obtenidos sern cortos y el espectro de

frecuencia ser de banda ancha. Estos impulsos cortos, ofrecen un gran poder

de resolucin, permitiendo obtener medidas muy precisas de tiempos de recorrido

(ver Figura 2.8).

El contacto elctrico se realiza, en el cuarzo y en los cristales cermicos, mediante

una suspensin de plata conductora extendida sobre las caras del cristal, que se

seca a uno 500 C y soldndose, a continuacin, los electrodos con soldadura de

plata. En el caso del sulfato de litio, la metalizacin de las caras del cristal se

puede hacer por evaporacin de plata al vaco, o pintando las superficies con

suspensin de plata conductora de secado. Los electrodos se adhieren mediante un

cemento El titanato de bario requiere, como el sulfato cuidados especiales para evitar

que, por elevada temperatura, se despolarice y pierda su caractersticas

piezoelctricas.

Figura 2.8: Espectros de -Frecuencia del impulso ultrasnico.

34


En los palpadores de contacto directo, se hace indispensable proteger el cristal

contra el desgaste, por medio de pelculas o suelas protectoras. A ste fin , se

utilizan pelculas finas de plstico, cuya resistencia al desgaste se incrementa por

adicin de polvo de sustancias duras, como corindn o carborundum, que se pegan

al cristal mediante una capa fina de adhesivo. Tambin se emplean lminas de

plstico o de caucho blando, de 0,2 a 0,3 mm de espesor, fciles de intercambiar

cuando se deterioran. En ste caso, el espacio entre el cristal y la suela protectora,

se debe llenar de acoplante. Sin embargo, actualmente, se tiende a cubrir el cristal

con lminas muy finas de cuarzo o zafiro, muy resistentes al desgaste, qumicamente

inertes, y con una influencia despreciable sobre la sensibilidad del palpador.

2.4.1.1.2. Palpadores "Emisor-Receptor

.

Hemos visto los problemas que plantea la zona muerta, en cuanto a que impide, o

dificulta, la deteccin de discontinuidades prximas a la superficie de exploracin.

As, por ejemplo, en palpadores sin suela protectora, la zona muerta oscila entre 4 y

5 mm (en acero), por lo que no ser posible examinar muestras de ese espesor o

menor. Con la zapata protectora, la zona muerta puede rebasar, dependiendo de la

frecuencia, los 10 mm, por lo que las limitaciones son mayores. Para evitar stos

inconvenientes, se han diseado los palpadores tipo "E-R", cuyo esquema aparece

en la Figura 2.9. Constan de dos cristales perfectamente aislados elctrica y

acsticamente por medio de una lmina de corcho o policloruro de vinilo. Uno de los

cristales acta como emisor y el otro como receptor. Ambos cristales se montan, con

una cierta inclinacin, sobre una columna de plstico que produce cierto efecto

focalizador, de forma que concentra el haz ultrasnico, para conseguir mxima

sensibilidad en las proximidades de la superficie.

35


Figura 2.9. Corte de un palpador "E-R".

Mediante ste artificio se consigue que, por efecto del trayecto previo en plstico, la

indicacin de la seal de emisin quede muy separada de la indicacin del eco de la

discontinuidad. La nueva posicin cero de la escala de distancias, queda sealada

por la indicacin, muy dbil, procedente del eco de la superficie de la muestra.

La columna de plstico se construye a partir de un material de bajo coeficiente de

atenuacin, con una impedancia acstica tal, que produzca una buena transmisin

en la muestra a travs del medio de acoplamiento correspondiente. Si la diferencia

de impedancia es muy elevada, se producir una reflexin fuerte en la superficie, con

la consiguiente prdida de energa y reforzamiento de la indicacin del eco de la

interfase o superficie de exploracin. En la Figura 2.10, se representa la sensibilidad

de un palpador "E-R" en funcin de la distancia o profundidad de la discontinuidad.

Se comprueba que la altura de la indicacin del eco, decrece rpidamente a ambos

lados de la distancia ptima, que, para ste palpador, se sita hacia los 12 mm. La

posicin de la zona de mxima sensibilidad es funcin , primordialmente, de la

inclinacin d los cristales y de la frecuencia.

Mediante ste tipo de palpador, y con equipos adecuados, se pueden medir

espesores y detectar discontinuidades a partir de una profundidad equivalente a una

longitud de onda.

36


Figura 2.10. Curva de sensibilidad de "E-R" con profundidad de foco de 15 mm

Otra de las ventajas que ofrece este tipo de palpador, es la posibilidad de utilizar los

cristales mas adecuados? es decir, se puede usar titanato de bario como emisor, y

sulfato de litio como receptor. Esta solucin exigira, a cambio que las conexiones

de ambos cristales no fuesen intercambiables, con objeto de evitar la posibilidad de

error al conectar el palpador, Como los palpadores "E-R" se encuentran focalizados,

presentan cierta longitud o intervalo de trabajo "TB", as como la distancia ptima, o

lo que podramos llamar distancia focal "F" (ver Figura 2.11).

Figura 2.11. Zona de trabajo de un palpador "E-R

En la Figura distancia focal 2.11, se presenta, esquemticamente, la distancia focal y

el intervalo de trabajo. Con aumentos del ngulo de inclinacin de los cristales, la

distancia focal disminuir, por lo que la capacidad de defectos cercanos a la

37


superficie ser mayor, pero disminuirn; tanto el intervalo de trabajo, como la

profundidad mxima de exploracin.

2.4.1.1.3. Palpadores para Altas Temperaturas.

Los palpadores convencionales no se pueden emplear a temperaturas fuera del

intervalo comprendido entre -20 y 80 C, debido a que los adhesivos convencionales,

empleados para unir el cristal al amortiguador, se pueden daar y anular su efecto.

El propio cristal se puede afectar con la temperatura, especialmente si es de sulfato

de litio o de titanato de bario, con puntos de Curie de 75 y 115 C, respectivamente.

Para ensayos a temperaturas elevadas, es preciso utilizar cuarzo o metaniobato

de plomo, cuyos puntos de Curie estn por encima de los 500 C. Como

amortiguador y adhesivo, se utilizan resinas de moldeo, capaces de soportar

temperaturas hasta 350 C. A temperaturas superiores, resulta muy difcil conseguir

una amortiguacin adecuada, por lo que es preciso interponer, entre el palpador y la

muestra de ensayo, un adaptador que ser refrigerado.

2.4.1.2. Palpadores Angulares.

En el Captulo 3, se estudiarn las Leyes que rigen la reflexin y refraccin de las

ondas ultrasnicas al incidir, angularmente, en una superficie lmite entre dos

medios.

Los palpadores angulares, de contacto directo, consisten, en esencia, en un

oscilador de ondas longitudinales aplicado a una de las caras de un prisma de

plstico (generalmente de perspex), ver Figura 2.12, tallado con un ngulo de

incidencia adecuado al ngulo de refraccin, o de penetracin, que se desea para

un material dado de la muestra de ensaya.

38


Figura 2.12. Corte de un palpador angular

2.4.1.2.1. Elementos del Palpador.

Los elementos componentes de los palpadores angulares se pueden observar en la

Figura 2.12, as; el cristal piezoelctrico se monta sobre un prisma de plstico por

intermedio de una capa muy -fina de adhesivo. La sustancia amortiguadora se

utiliza, en stos palpadores, para evitar que las reflexiones internas en el prisma

vuelvan al cristal. Suele consistir, en resinas o caucho vulcanizado a los que se

aaden cargas apropiadas (dixido de manganeso, corcho, limaduras metlicas,

etc.), para elevar su coeficiente de atenuacin. Adems, se suele recurrir a

mecanizar en diente de sierra, la superficie del prisma, en contacto con el

amortiguador, lo que contribuye a la dispersin de las ondas reflejadas. En

ensayos con altos niveles de ganancia, las perturbaciones provocadas por stas

reflexiones pueden no llegar a eliminarse totalmente, especialmente cuando

existan ondas que vuelvan directamente al cristal, como consecuencia de la

rugosidad superficial de la superficie de exploracin.

El conjunto va montado en un protector metlico, provisto de la correspondiente

conexin coaxial.

39


2.4.1.2-2. Dimensionado del Prisma.

Las dimensiones del prisma vendrn dadas, en principio, en funcin del ngulo de

incidencia. Cuanto mayor sea el ngulo de incidencia, mayor deber ser la longitud

del prisma y su anchura, a fin de que la seccin del haz ultrasnico quede

inscrita en la cara de contacto del prisma con la muestra. Tambin, la altura del

prisma aumenta por razones puramente geomtricas, al tener que mantener

constante la superficie donde va adosado el cristal oscilador.

La longitud terica del prisma, se puede reducir, determinando la distribucin de la

presin acstica en la cara de contacto del prisma. Otra deduccin de inters, es la

observada en relacin a las presiones acsticas. Hay que tener presente que los

materiales empleados en los prismas son bastante absorbentes frente, por ejemplo,

a los materiales metlicos, por lo que ste fenmeno es mas acusado que en stos.

En consecuencia, el punto de la cara activa del prisma, donde la presin

acstica es mxima, se debe considerar como el punto de salida del haz

ultrasnico. Este punto se debe determinar cuidadosamente para poder deducir,

por ejemplo, la posicin de una discontinuidad ya que, a partir de ese punto, se

toman las distancias de recorrido del impulso ultrasnico; pero, adems, se utiliza

para determinar el ngulo real de refraccin del palpador .

Se deduce, pues, la necesidad de llegar a una solucin de compromiso en la

eleccin del material del prisma y de la frecuencia idnea para la finalidad del

ensayo.

2.4.1.2.3. Materiales de los Prismas.

Anteriormente, se ha mencionado el perspex (metacrilato de metilo), como material

de los prismas. De hecho, es el mas utilizado y permite construir prismas que, para

piezas de aluminio, tienen una eficacia de hasta el 60 '/., debido a la pequea

40


diferencia de impedancias acsticas entre ambos medios. Por sta razn, sera

preferible utilizar prismas de plomo para los ensayos en muestras de acero, pero la

capa lquida necesaria para asegurar el contacto acstico, entre la muestra y el

palpador, hace que esta ventaja se anule prcticamente. Se han intentado otras

soluciones, cono mezclas de plstico con cargas metlicas o lminas alternadas de

resina epoxi y metales. Sin embargo, stas posibles mejoras no han encontrado,

hasta el momento, aplicacin prctica, por problemas de costas o de uniformidad en

la fabricacin de palpadores con es tos prismas.

Con resultados similares al perspex, se puede utilizar el transpex (poliestireno)

ambos materiales dan resultados satisfactorios e-n aluminio y acero. Sin embargo, si

se trata de ensayos en muestras de cobre o de fundicin gris, no es posible cubrir,

con los plsticos citados, la gama de ngulos de refraccin hasta 90. En el Captulo

3, estudiaremos los modos de propagacin de ondas ultrasnicas .

Los paleadores angulares, de contacto directo, se emplean, preferencial mente , en

les equipos pulso - eco y, ocasionalmente, por transmisin y se aplican, casi

exclusivamente, a problemas de defectologa.

2.4.1.3. Palpadores de Ondas de Superficie,

Para generar ondas de superficie se recurre, principalmente, a palpadores angulares

de contacto, cuyo ngulo de incidencia se calcula de forma que sea ligeramente

mayor que el ngulo limite de las ondas transversales en el material del objeto bajo

ensayo (ver Apartado 3.3.3.2.,capitulo 3) .

Las caractersticas de diseo descritas en el apartado anterior sobre palpadores

angulares de ondas transversales, son vlidas en toda su extensin para

palpadores angulares de ondas de superficie.

41


Tambin se pueden generar con un palpador de contacto, de incidencia normal.

Con cristal de Cuarzo de corte en el eje Y, empleando un lquido como medio de

acoplamiento, o por contacto sobre una generatriz de una muestra cilndrica

(contacto rectilneo) Con oscilador de ondas longitudinales, pero sin medio de

acoplamiento, si bien ambos procedimientos son poco empleados en la prctica.

En los ensayos por contacto directo, la gama de frecuencias se encuentra limitada

por razones de espesor y fragilidad de los cristales piezoelctricos. Comnmente se

trabaja con frecuencias entre 2 y 5 MHz, pero pueden alcanzarse frecuencias de

hasta 10 MHz.

2.4.2. Palpadores para inmersin.

Los ensayos por inmersin, bien sumergiendo la muestra en un tanque, o mediante

el empleo de palpadores de inmersin local, son particularmente indicados cuando

se precisa realizar exploraciones de gran volumen y extensin, examinar lotes de

gran numero de muestras o muestras de formas relativamente complejas.

Como la transmisin del ultrasonido, desde el palpador a la muestra, se efecta a

travs de una columna de lquido, es decir, sin contacto directo, presin ni

rozamiento entre el palpador y la muestra, esto permite;

1. Eliminar los riesgos de rotura y desgaste del cristal oscilador, por lo que no se

precisa de una zapata protectora

2. Emplear frecuencias mas elevadas (cristales con espesores mas finos) que las

comnmente utilizadas con palpadores de contacto directo. Ya que el riesgo de

rotura es mnimo.

42


3. Propagar el haz ultrasnico en la muestra, con el ngulo de penetracin

deseado, bien con ondas longitudinales o transversales, mediante la variacin

en la inclinacin del palpador , respecto a la superficie de la muestra.

4. Aumentar la velocidad del ensayo, al no haber contacto o rozamiento, por lo

que los ensayos por inmersin estn especialmente indicados para ensayos

automticos o semiautomticos.

Los palpadores de inmersin, se emplean en los equipos que operan por los

mtodos de pulso eco, transmisin y resonancia, y se aplican, preferentemente, a

problemas de defectologa y metrologa. Ahora bien, dada su posibilidad de operar a

frecuencias mucho mas elevadas que los palpadores de contacto, su aplicacin a

problemas de caracterizacin es tambin muy indicada.

No cabe hacer la distincin entre palpadores de incidencia normal y de incidencia

angular, ya que ambas se logran, naturalmente, con un mismo palpador de inmersin

(ver Figura 2.13).

Figura 2.13. Corte de un palpador utilizado para ensayo con el mtodo de inmersin.

43


Con ngulos de incidencia ligeramente superiores a los ngulos lmites de las ondas

transversales, se obtienen ondas de superficie, las cuales sufren una atenuacin

fuerte, s la muestra est sumergida. Igualmente, se pueden obtener ondas de Lamb,

las cuales sufren tambin una atenuacin fuerte, pero, en ambos casos, esto se

puede subsanar utilizando palpadores de inmersin local, dispuestos de manera que,

el liquido de acoplamiento no se extienda sobre la superficie de exploracin. El

diseo de un palpador de inmersin, es similar al de un palpador de contacto directo

de incidencia normal. Ahora bien, una de las cualidades que se cuidan es su total

estanqueidad. No precisan de suela protectora, pero, dado que se disean

generalmente para frecuencias elevadas (de hasta 25 MHz) , suelen acompaarse

de una funda protectora, de la que se prescinde en el momento de su aplicacin.

En el Apndice B, se dan algunas caractersticas, en cuanto a nomenclatura se

refiere, de los palpadores ultrasnicos fabricados por la Compaa KRAUTKRAMER.

2.5. CARACTERSTICAS DE LOS PALEADORES.

En el diseo de palpadores ultrasnicos, deben ser contempladas dos caractersticas

bsicas: resolucin y sensibilidad.

2.5.1. Resolucin.

La resolucin, o el poder de resolucin es la habilidad que presentan para separar

o identificar las seales de indicacin de varios reflectores diferentes y cercanos, en

lo que a profundidad se refiere.

2.5.2. Sensibilidad.

La sensibilidad de un palpador, es la habilidad para Detectar .discontinuidades del

menor tamao posible, podemos referirnos, entonces,.al Tamao Crtico de un

44


Defecto", caracterstica que debe ser suministrada por el fabricante como dato de

calibracin.

Estas dos caractersticas, estn referidas directamente a otros dos parmetros, .. que

son: factor de calidad y Ancho de banda. Estos parmetros estn relacionados de la

siguiente manera;

)17.2( 12 ff

fQ C=

Donde:

Q =Factor de calidad del elemento

ffC = Frecuencia de control del elemento

f1 = La frecuencia por debajo de fC en la cual la amplitud del sonido cae hasta un

70'/. de la amplitud en fC.

f2 = La frecuencia por arriba de fC en la cual la amplitud del sonido cae hasta un

70'/. de la amplitud en fC.

f2 f1 = Ancho de banda

Esta frmula, es una aproximacin, pues se deriva de la base de que la lamina

piezoelctrica oscila tal como una masa suspendida por un resorte. En el caso de

palpadores con gran amortiguacin, la aproximacin es mayor.

Con incrementos de "Q", la sensibilidad ser mayor y la resolucin disminuir . Los

elementos piezoelctricos antes de ser montados en el palpador, tienen un

coeficiente "Q" superior a 25,000. Los palpadores usados en ultrasonido, tienen un

coeficiente "Q" que vara en un rango de 1 a 10.

45


2.6. SELECCIN DE PALPADORES.

Sin tener en cuenta los palpadores especiales, utilizados en ensayos especficos,

tales como: palpadores focalizados, palpadores con oscilacin libre del cristal,

palpadores speramortiguados, palpadores puntuales, palpadores periscpicos, etc.

Existe un gran nmero de palpadores, los cuales conviene saber elegir para una

aplicacin determinada. Una primera eleccin se realiza a la hora de hacer distincin

entre palpadores para detectar reflectores, y palpadores que determinen con

precisin la profundidad y tamao de ste posible defecto.

La deteccin de reflectores, los cuales pueden ocupar diferentes posiciones y tener

varias formas, requiere que el haz sonoro del palpador cubra la mxima superficie de

la pieza examinada, por lo que son aconsejables palpadores de relativamente baja

frecuencia, que poseen una divergencia angular bastante grande. Estos palpadores,

por el contrario, nos proporcionan una baja sensibilidad, por lo cual los reflectores,

que se encontrarn, tendrn un tamao relativamente grande. Si elegimos un haz

sonoro estrecho con alta intensidad, podremos detectar reflectores muy pequemos

en la pieza, por lo que se corre el riesgo de "saltar" algn defecto.

Una vez detectado un reflector en el material, el siguiente paso es determinar su

posicin exacta, as como su tamao. Para esto conviene elegir un palpador cuyo

haz sufra la mxima distorsin al llegar a ste reflector, y que el haz incida sobre el

reflector lo mas perpendicular mente posible, con la finalidad de que nos refleje la

mayor cantidad de sonido haca el palpador.

Consecuentemente y segn lo expuesto anteriormente, un palpador que sea el

apropiado para detectar discontinuidades o reflectores, no tiene porque serlo para

determinar la posicin y el tamao del reflector. Lo contrario puede tambin suceder.

Para el examen de materiales, cuya estructura metalogrfica sea calificada como

grano fino, se ha encontrado que las frecuencias de ensayo mas apropiadas son

46


las comprendidas entre 2 y 5 MHz, teniendo una razonable sensibilidad, junto con

un buen poder resolutivo a grandes distancias. Para el acero, las longitudes de

onda van de 1 a 3 milmetros, por lo que, en condiciones favorables (tericamente),

se pueden detectar discontinuidades de 0,9 mm y mayores, tamaos que

generalmente empiezan a ser tratados como defectos.

En materiales con estructuras bastas (grano grueso), conviene utilizar frecuencias

bajas o muy bajas, del orden de 0,5 a 2 MHz, pudindose incluso evaluar materiales

con un coeficiente de atenuacin alto, tal y como pueden ser fundiciones, plsticos,

etc.

Las frecuencias comprendidas entre 5 y 10 MHz, proporcionan haces de muy alta

sensibilidad, pudindose detectar reflectores extremadamente pequemos, por lo

que deben ser utilizadas en materiales cuya estructura metalogrfica tenga un

tamao de grano sumamente fino.

Hay que tener en cuenta que, con el aumento de la frecuencia, y por consiguiente,

disminucin de la longitud de onda, la profundidad de penetracin del haz

disminuye, por lo que en caso de desear detectar reflectores a gran distancia

conviene utilizar frecuencias mas bajas, o un palpador de mayor dimetro, cuya

divergencia angular sea menor y, por tanto, tener mayor penetracin.

Si los posibles reflectores se encuentran a poca distancia, es recomendable

utilizar palpadores cuyo campo cercano sea corto, por lo que entre palpadores que

trabajen a una misma frecuencia, conviene utilizar el de menor dimetro.

El poder de resolucin y la sensibilidad, dependen en gran medida de la frecuencia

utilizada (a mayor frecuencia, mayor poder de resolucin), pero tambin hay que

tener en cuenta el tipo de cristal que se emplea. Generalmente, se pueden utilizar

los palpadores de titanato de bario, que junto con un buen poder resolutivo poseen

una sensibilidad muy aceptable. Si se desea una gran sensibilidad se pueden

47


48

utilizar palpadores con cristales especiales, que pueden ser de sulfato de litio o

metabionato de plomo.

PROPAGACION DE ONDAS Y SUS CARACTERISTICAS EN MEDIOS DIFERENTES

CAPITULO 3

PROPAGACION DE ONDAS Y SUS

CARACTERISTICAS EN MEDIOS DIFERENTES.

La verificacin de materiales por ultrasonido, utiliza la propagacin del sonido,

tanto en slidos como en lquidos, para realizar un control no destructivo. El

ultrasonido no se diferencia en nada esencial del sonido audible e incluso sus

caractersticas son perfectamente comparables con las de cualquier onda

mecnica.

Una onda mecnica, se transmite por la oscilacin de las partculas del medio a

travs del cual se propaga. Todo cuerpo o materia que se encuentra en equilibrio

elstico, con todas sus partculas equilibradas por fuerzas elsticas, entrar en

vibracin cuando una fuerza exterior rompa el equilibrio en que se encuentran sus

partculas.

Al aplicar una fuerza exterior, las partculas superficiales transmitirn la energa

recibida a las partculas vecinas; stas, a su vez, a las partculas siguientes, y as

sucesivamente, producindose la propagacin de la energa exterior a travs de

todas las partculas del medio. En otras palabras, las partculas no viajan a travs

del material desde el origen o la fuente sonora, solamente transmiten la energa

producida, que es la que causa la vibracin de las partculas; progresivamente

avanzar a travs del material.

49


3.1. MODOS DE PROPAGACIN DE LAS ONDAS ULTRASNICAS.

Las ondas ultrasnicas pueden ser propagadas de diversos modos, los modos de

propagacin mas comunes son; Ondas Longitudinales o de Compresin, Ondas

Transversales o de Cizalladura, Ondas Superficiales o de Raylegh y otros varios

modos agrupados bajo la denominacin de Ondas de Lamb

3.1.1. Ondas Longitudinales o de Compresin.

El sonido que nosotros percibimos es propagado mediante ondas longitudinales,

que estn formadas por zonas donde, en unas la distancia entre las partculas es

mnima, en otras la distancia aumenta. Recordemos el ejemplo presentado en la

Figura 1.I? las reas en que la distancia s menor, representan las zonas de

compresin y las reas donde la distancia es mayor, representan las zonas de

descompresin (ver Figura 3.1a). En ste modo de onda, las partculas vibran

paralelamente a la direccin de propagacin, razn por la cual se denominan

ondas longitudinales, de presin o de compresin (ver Figura 3.1b)

Figura 3.1.- Caractersticas de las ondas longitudinales

50


La propagacin del sonido en sta forma, es causada por el vnculo elstico

existente entre las partculas, donde cada una de ellas al vibrar, empuja o hala las

partculas adyacentes, stas a su vez transmiten la energa a las partculas

vecinas, y as sucesivamente.

Este modo de propagacin de onda es el mas comnmente usado en ensayos

ultrasnicos, debido a que es el mas sencillo de generar y detectar. Casi toda

la energa sonora utilizada, en ensayos ultrasnicos se origina en forma de ondas

longitudinales que luego son convertidas a los otros modos. Las ondas de

compresin son las nicas que pueden ser propagadas en materiales slidos,

lquidos y gaseosos.

La velocidad acstica de las ondas longitudinales, puede ser calculada mediante

la siguiente ecuacin:

(3.1) )21)(1(

1

+= EVL

Donde:

VL: Velocidad acstica de las ondas longitudinales.

E : Mdulo de elasticidad.

P : Coeficiente de Poisson.

: Densidad.

3.1.2. Ondas Transversales o de Cizalladura.

Las ondas de cizalladura, o de corte, deben su nombre a que el sentido de

oscilacin de las partculas es transversal a la direccin de propagacin (ver

Figura 3.2). Para que stas ondas viajen a travs del material, es necesario que

las partculas exhiban suficiente atraccin entre s, con el fin de que pueda

propagarse la onda.

51


Los gases y los lquidos son prcticamente incapaces de transmitir ondas

transversales, ya que sus molculas apenas ofrecen resistencia al deslizamiento

transversal y, por tanto, no existirn vnculos elsticos que las liguen a su

posicin cero. Esta circunstancia coincide con la propiedad de tener un Mdulo

de Rigidez igual a cero, a excepcin de los lquidos altamente viscosos, que

poseen cierto "Mdulo Complejo de Rigidez" y que, por consiguiente te, pueden

propagar ondas transversales, aunque fuertemente amortiguadas. En los casos

prcticos de ensayos de materiales, slo pueden alcanzar distancias apreciables

en los cuerpos slidos. En otras palabras, las ondas transversales solamente

pueden propagarse en slidos.

Figura. 3.2 Caractersticas de las ondas Transversales.

52


La velocidad de propagacin de las ondas de corte, tambin puede ser calculada.

Para tal fin, se aplica la siguiente ecuacin:

(3.2) )1

1+(2 =

EVT

Que puede resumirse en:

(3.3) EVT =

Donde;

VT ; Velocidad acstica de las ondas transversales.

G: Mdulo de rigidez.

Es importante hacer notar, que las velocidades acsticas de las ondas

longitudinales y transversales cumplen una relacin constante y directa, y es;

(3.4) 95

LV TV =

Por sta razn, las ondas transversales tienen longitudes de onda menores que

las de las ondas longitudinales, a una misma frecuencia. Esto implica que las

ondas de corte poseen mayor sensibilidad a reflectores pequemos, y en

consecuencia, es mas fcil que se produzca la dispersin en el material.

3.1.3. Ondas de Superficie o de Rayleigh.

53


Las ondas de superficie se consideran como un tipo especial de ondas

transversales, pueden ser comparadas con un cuerpo que flota en la superficie

del agua, dado que viajan en la superficie del material y lo penetran solamente

una profundidad equivalente a una longitud de onda.

La cantidad de energa que poseen las Ondas de Rayleigh, a una profundidad de

una longitud de onda, es aproximadamente un venticincoavo (1/25) de la energa

en la superficie. Las ondas de Rayleigh difieren del oleaje pues, en las ondas

que se generan en la superficie del agua la oscilacin de la partculas es circular

en las ondas superficiales es elptica (ver Figura 3.3).

Figura 3.3. Caractersticas de superficie de las ondas

54


Su velocidad de propagacin, como en el caso de las ondas longitudinales y

transversales, es independiente de la frecuencia y, por tanto, es una constante del

material, con el estado de tensiones de la superficie. As por ejemplo las tensiones

de traccin aumentan la velocidad, mientras que las de compresin la

disminuyen. Sin embargo, la velocidad de las ondas de superficie puede ser

calculada por medio de la siguiente ecuacin:

Donde

VS: Velocidad acstica de las ondas superficiales.

La velocidad acstica de las ondas de Rayleigh, cumple una relacin directa con la

velocidad de las ondas longitudinales, que es:

stas ondas fueron descritas por primera vez por Lord Rayleigh en 1,880, y son

E

de gran inters en estudios sismolgicos, pues los movimientos telricos se

generan y propagan con ste tipo de onda. Al igual que las ondas de corte, las

ondas superficiales solamente pueden propagarse en slidos.

55


3.1.4. Ondas de Lamb.

uando los ensayos ultrasnicos son llevados a cabo en materiales sumamente

n una chapa se puede producir, en primer lugar, una onda puramente

s ondas de Lamb se propagan de varios modos, en cuanto al sentido de

Onda Simtrica o de Dilatacin.

C

delgados, o sea, cuando el espesores del misma orden que la longitud de onda,

se producen varios tipos de onda de chapa. Ocurren vibraciones complejas de las

partculas, en todo el espesor del material que modifican las ondas de superficie.

La velocidad de las ondas de Lamb depende no solamente de las caractersticas

del material bajo ensayo, sino tambin del espesor, de la frecuencia de la onda y

del tipo de onda.

E

transversal cuya direccin de propagacin sea paralela a la superficie. En el caso

especial de una chapa adherida a un cuerpo slido diferente, como es un

plaqueado o un recubrimiento superficial, esta onda puramente transversal, se

denomina "onda de Love". Sin embargo, para el ensayo de materiales, ste tipo

de onda no ha alcanzado gran importancia, en contraste con las ondas de Lamb.

Estas ondas de Lamb presentan, siempre, componentes de la oscilacin de

partculas en ngulo recto a la superficie.

La

vibracin de las partculas, pero se pueden agrupar en dos modos bsicos

Onda Asimtrica o de Flexin.

56


(a) Propagacin de las ondas.

Figura 3.4. Caractersticas de las ondas Lamb simtricas

En el caso de las ondas simtrica, las partculas de la zona media o fibra neutra,

se comportan segn oscilaciones puramente longitudinales y, en el caso de las

ondas asimtricas segn oscilaciones puramente transversales. Las otras

partculas oscilan, en ambos tipos de onda, elpticamente. Para cada tipo existe un

nmero arbitrario de armnicos, que se caracterizan por presentar mas de una

fibra neutra.

En los casos anteriores se ha supuesto que la chapa es limitada en dos

direcciones. Si adems, est limitada en su ancho, se llega al caso de las barras,

cuya seccin puede ser circular o cuadrada. En stas, se pueden propagar ondas

del tipo de dilatacin, conocidas como ondas de barra. Adems, tambin se

pueden propagar en stos productos, una gran variedad de onda de flexin, de

torsin y radiales junto con sus armnicos si bien, hasta ahora, se han encontrado

serias dificultades en su aplicacin en los ensayos de materiales.

57


Figura 3.5.Caractersticas de las ondas de Lamb asimtricas

3.2. TRANSFERENCIA DE ENER6IA DE UN MEDIO A OTRO.

La propagacin de una onda se caracteriza por el transporte de energa y no de

masa. La Ley de la energa nos dice que sta no se crea ni se destruye, slo

se transforma. Esto implica que, cuando a un cuerpo o materia que se encuentra

en estado de equilibrio elstico se le aplica una cierta cantidad de energa, las

partculas superficiales transmitirn la energa recibida a las partculas vecinas y

stas, a su vez, a las siguientes, producindose as, la propagacin de la

energa exterior a travs de todas las partculas del medio.

Entonces en la interfase entre dos materiales (en el caso .de ultrasonido se deben

tomar en cuenta las interfases slido/ slido y lquido /slido), ocurrir que la

energa incidente sobre un cuerpo no ser transmitida en su totalidad, sino que

una cierta porcin ser reflejada por la superficie lmite. Entonces, la energa

incidente ser igual a la suma de la energa transmitida mas la energa reflejada:

E i = Et + Er (3.8)

58


Donde:

E i: Energa incidente.

Et : Energa transmitida.

Er : Energa reflejada.

3.2.1. Impedancia Acstica.

La impedancia acstica se define como la resistencia que presenta un material

a la vibracin de sus partculas por efecto de una onda. Puede ser calculada

mediante dos ecuaciones diferentes. La. primera, la define como el producto de la

densidad del material por su velocidad acstica, as :

Z = . v (3.9)

Donde:

Z : Impedancia acstica.

V : velocidad acstica.

: Densidad.

La segunda, la define como la relacin existente entre la presin acstica y la

velocidad mxima de vibracin, as ;

Z = P V (3.10)

Donde:

v : Velocidad instantnea de vibracin de la partcula.

La impedancia acstica (tambin denominada impedancia de la onda acstica o

impedancia acstica especfica) es la resistencia que se opone a la vibracin de la

59


onda. Si un medio posee una impedancia baja, sus elementos de masa vibrarn a

gran velocidad, con slo un pequeo cambio de presin acstica; es decir, el

medio ofrecer poca resistencia a las deformaciones elsticas causadas por la

onda. Si, por el contrario, la impedancia es elevada, sus elementos de masa

vibrarn lentamente, aunque la presin acstica sea elevada, ya que el medio

ofrece gran resistencia a las deformaciones elsticas

3.2.2. Comportamiento de las Ondas Ultrasnicas en Superficies Lmites

El anlisis de una onda en un medio ilimitado, slo es posible tericamente, ya

que, en la prctica, cualquier material presenta una superficie limite o contorno,

con lo que la propagacin de la onda se altera. S el material est rodeado de un

espacio vaco, no se puede transmitir ningn tipo de onda acstica, ya que ello

requerira la presencia de partculas de material. En un contorno libre de ste

tipo, la onda retorna de algn modo. Si la superficie lmite es suave, segn un

fenmeno de reflexin, si rugosa, segn un fenmeno de dispersin. En ste

ltimo caso, las irregularidades de la superficie se deben medir en trminos de

longitud de onda.

Sabemos que el lmite entre dos los materiales se denomina interfase, y que en

la misma ocurre como se dijo anteriormente, la energa incidente es igual a la

suma de las energas transmitida y reflejada, tal y como se muestra en la figura

3.6

60


Figura 3.6. Diagrama ilustrativo de la transmisin y reflexin

de un haz ultrasnico con incidencia normal

Las cantidades de energa transmitida y reflejada, pueden ser calculadas por

medio de la intensidad del haz ultrasnico, y se denominan coeficientes de

transmisin y reflexin,

221

21

)(.4ZZZZ

IITi

t

+== (3.11)

221

212

)()(

ZZZZ

IIRi

r

+== (3.12)

Donde:

T : Coeficiente de transmisin de la intensidad del haz.

R : Coeficiente de reflexin de la intensidad del haz .

I : Intensidad del haz sonoro incidente.

It : Intensidad del haz sonoro transmitido.

Ir : Intensidad del haz sonoro reflejado.

Z1 : Impedancia acstica del medio 1.

Z2 : Impedancia acstica del medio 2,

61

Curso Ultrasonido Basico

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